WAKUI Hidekazu1 WADA Masami1 YOSHIOKA Takashi1 ANDOH Tetsuo1
Since its release in 2001, the "digitalYEWFLO" vortex flow meters employing our original spectral signal processing (SSP) technology have achieved proven track records in the market with steady increases in shipment volume. Recently, we have developed one of the world's first two-wire "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meters with a built-in temperature sensor, which features more enhanced measuring functions while inheriting the high accuracy and reliability of the conventional "digitalYEWFLO" products.
With a temperature sensor incorporated into the flow rate sensor, "Multivariable Type" vortex flow meters enable both fluid temperature measurement and flow rate measurement simultaniously, thereby achieving multi- sensing functions such as various correction calculations based on measured temperature data as represented by steam mass flow rate calculations,.
This paper outlines the structure, functions and features of "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meters using data from verification tests at actual users' plants.
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Industrial Automation Business Headquarters
INTRODUCTION
Figure 1 External View |
Vortex flow meters utilize a fluid phenomenon in which frequencies of Karman vortex streets released from a shedder bar inserted in a flow are proportional to flow velocities. Our YEWFLO series of flow meters employ a system in which stress caused in a shedder bar due to vortexes is detected by means of two piezoelectric elements. These flow meters were commercialized in 1979 as general-purpose flow meters which enable measurement of liquid, gas or steam in the same detection section. Their high accuracy and high reliability have been retained in the present "digitalYEWFLO"1 products, incorporating as well a series of functional enhancements and performance improvements. As a result, the total number of units sold worldwide has already exceeded 200,000.
Recently, we have developed a "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter with a built-in temperature sensor, wherein a temperature sensor is incorporated into the flow rate sensor of the "digitalYEWFLO" vortex flow meter. This product enables measurement of fluid temperatures and provides new functions such as various correction calculations using the measured data.
The external view is the same design as the standard type digitalYEWFLO products, as shown in Figure 1.
PRINCIPLE OF MEASUREMENT
Basic Principle of the Vortex Flow Meter
Frequencies f of Karman vortex streets released from a shedder bar inserted in a flow and volume flow rates Q have the following relationship:
f = K · Q K: K factor
Optimum selection of shapes and dimensions of shedder bars makes it possible for the K factor to become an almost constant value within a wide range of Reynolds numbers. As a result, the measurement of vortex frequencies f makes it possible to measure volume flow rate Q.
Flow Rate Correction Calculation
Figure 2 Cross Section of the Detector (Sensor) |
The "digitalYEWFLO Multivariable Type" products use fluid temperatures measured by the built-in temperature sensor to enable various flow rate correction calculations, which are mainly as follows:
- Mass flow rate of steam
Mass flow rate M can be measured by obtaining fluid density ρ from fluid temperatures using the steam density table provided in the internal memory (the pressure under operating conditions needs to be set for superheated steam) and by multiplying fluid density ρ with volume flow rate Q:
M = ρ · Q - Volume flow rate of gas under standard conditions
Volume flow rate Q n under standard conditions can be measured by performing temperature pressure corrections based on Boyle's Law and Charles' Law.
Qn = Q · (P/Pn ) · (Tn /T) · (1/k)
Qn: volume flow rate under standard conditions
Q: volume flow rate under operating conditions
P: pressure under operating conditions *
Pn: pressure under standard conditions *
T: absolute temperature under operating conditions
Tn: absolute temperature under standard conditions *
k: deviation coefficient *
(*: to be set by the user) - Mass flow rate of liquid
Mass flow rate M can be measured by correcting density changes caused by fluid temperatures according to the following quadratic equation:
M = ρn · Q · { 1 a 1 (t tn ) a 2 (t t n) 2 }
ρn: density under standard conditions *
Q: volume flow rate under operating conditions
a1: primary correction coefficient *
a2: secondary correction coefficient *
t: temperature under operating conditions
tn: temperature under standard conditions *
(*: to be set by the user)
CONFIGURATION
Detector
Figure 2 shows a cross section of the detector (sensor). The temperature sensor is incorporated near the lowest part of the robust flow rate sensor made of stainless steel. The temperature sensor uses a platinum temperature-indicating resistor Pt1000 (equivalent to JIS Class A). Powdered MgO which has a high heat conductivity rate is packed around the temperature sensor. One of the important applications of "digitalYEWFLO" products is the fluid measurement of gas that includes steam. In general, the specific heat capacity or heat conductivity rate of gas is low. Temperature tends to change easily in terms of both space and time. Thus, accurate temperature measurement has been considered to be difficult. In order to solve this problem, we have employed the following structures:
- The temperature sensor is positioned near the lowest part of the flow rate sensor in order to reduce temperature measurement errors due to the influences of heat radiation around the converter housing on the upper part of the flow rate sensor when high-temperature fluids are measured.
- Powdered MgO which has a high heat conductivity rate is packed around the temperature sensor in order to minimize heat resistance between fluids and the temperature sensor. These structures have facilitated the realization of highly accurate temperature measurements even under harsh measurement conditions such as steam.
Figure 3 Circuit Configuration of the Signal Processing Part of the Converter
Converter
Figure 3 shows the circuit configuration of the signal processing part of the converter.
With digitized signal processing, the "digitalYEWFLO" flow meters realized the implementation of conventional analog signal processing circuits (such as an adder, a band pass filter, and a schmitt trigger) in a gate array. This allowed for the reduction of the number of parts used, thus achieving a more compact converter.
Figure 4 Examples of Indications |
Signals detected by two piezoelectric elements are converted into digital signals via charge converters and A/D converters. The adder adds the outputs of A/D converters 1 and 2 according to a noise ratio optimum for the reduction of vibration noise. Signals processed in the band pass filter are turned into pulses in the Schmitt trigger circuit. Then, the frequencies of these pulses are calculated in the CPU to become flow rate signals.
On the other hand, the signals of the Pt1000 temperature sensor are converted into digital signals in the pre-amp and A/D converter 3 to become temperature signals in the CPU.
Flow rate signals undergo various calculations, such as the temperature correction calculation, and are output as 4 to 20-mA analog and contact pulses from the output circuit. Moreover, communication means make it possible to read not only flow rate values but also temperature values. Thus further improved convenience is realized when a "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter is used in conjunction with the Fieldbus communication protocol, which enables transmission of multiple measured values from a single measuring instrument (e.g., a flow meter).
Display
The display allows for two levels of indications, providing increased information on a single screen. These indications can be selected as follows:
Upper level: flow rate or percentage (%) indication
Lower level: total rate or temperature indication (with unit indications for both)
Figure 4 shows examples of a flow rate on the upper level and a temperature reading on the lower level.
In addition, if the occurrence of an error is confirmed in the self-diagnosis function, an error number will be indicated. If a parameter has been set, its parameter number will be indicated on the upper level, while the setting value will be indicated on the lower level. Parameters can also be set using the three setting keys provided on the front of the display.
Moreover, the display can be mounted at 90-degree increments in three different directions.
Figure 5 Mass Flow Rate Measurement of Saturated Steam
APPLICATION
Figure 6 Streamlined Measurement (Example) |
An application using a "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter for the mass flow rate measurement of saturated steam is outlined below. The line in the example used a combination of a vortex flow meter, a temperature sensor, a pressure gauge and a flow rate calculator to control mass flow rates by means of temperature pressure corrections. We additionally mounted a "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter in the line and compared the flow rate measurement test using this vortex flow meter with the same test using the existing multiple instruments.
Figure 5 shows the results of these output comparison tests, which clearly indicate that the outputs of the "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter agree with those of the mass flow rate calculations made by the existing multiple instruments, including the traceability to detailed flow rate fluctuations. This comparison demonstrated that a single "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter can replace multiple instruments in controlling mass flow rates of steam (Figure 6).
CONCLUSION
The latest "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter is mainly targeted for steam applications. In the midst of growing energy control demand for environmental protection and energy conservation, "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meters have made it possible to substantially streamline existing measurement systems. As a result, these flow meters have enabled the reduction of customers'total costs of ownership (TCO), including the initial deployment costs and maintenance costs.
The "digitalYEWFLO Multivariable Type" vortex flow meter is our pioneering product to incorporate the multi-sensing functionality which will become one of the mandatory requirements for sensors in the field network era. We are firmly committed to the continuous evolution and advancement of the YEWFLO series of products in order to meet the growing demand of our customers.
REFERENCE
- Hondo Masanori, et al., "A Vortex Flow Meter with Digital Signal Processing 'digitalYEWFLO'," Yokogawa Technical Report, Vol. 45, No. 3, 2001, pp. 183–186 (in Japanese)
- digitalYEWFLO and YEWFLO are registered trademarks of Yokogawa Electric Corporation. Other names of products and models that appear in this document are registered trademarks or the trademarks of the respective holders.
Industrias
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Bocas de pozo y separación
La boca de pozo proporciona la interfaz estructural y la presión que contiene para el equipo de perforación y producción. El control de la presión superficial es proporcionado por un ensamble de válvulas con medidores y obturadores (árbol de Navidad), que se instala en la parte superior de la boca de pozo. Las válvulas de aislamiento y los equipos de obstrucción controlan físicamente el flujo de los fluidos del pozo cuando el pozo está en producción. Varios paquetes de automatización se añaden al monitor local o remoto, controlan y optimizan la producción de cada pozo o almohadilla de múltiples pocillos. Los separadores de campos petroleros emplean un recipiente a presión para separar así los fluidos producidos en los pozos de petróleo y gas en componentes gaseosos y líquidos que se transfieren a continuación a las tuberías o almacenamiento localizados en función de la infraestructura de las zonas.
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En cubierta
Al igual que su equivalente en tierra, el procesamiento y manejo en cubierta en las plataformas de producción preparan hidrocarburos extraídos para transportación. Yokogawa ofrece soluciones de control integrado y de monitoreo que maximizan la productividad y la disponibilidad de las operaciones en cubierta.
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Energía
A mediados de la década de 1970, Yokogawa inició su participación en el negocio de la energía con el lanzamiento del Sistema de control eléctrico EBS. Desde entonces, Yokogawa ha continuado firmemente con el desarrollo de nuestras tecnologías y capacidades para proveer los mejores servicios y soluciones a nuestros clientes en todo el mundo.
Yokogawa ha operado la red de soluciones de energía globales para jugar un papel más activo en el dinámico mercado de energía global. Esto ha hecho un posible un trabajo en equipo más unido dentro de Yokogawa, el cual conjunta nuestros recursos globales y nuestra especialización en la industria. Los expertos en el sector de energía de Yokogawa trabajan juntos para brindar a cada cliente la solución que se adapta mejor a sus requerimientos sofisticados.
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Perforación
La perforación no convencional en la actualidad se usa comúnmente en la extracción de petróleo y gas natural. Hay un número creciente de programas de perforación de tipo multipaneles en varios sitios de perforación. Diferentes técnicas de perforación se utilizan para disminuir el tiempo de perforación, reducir el impacto ambiental y mejorar la recuperación inicial y estimada.
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Petroquímica y a granel
Las empresas productoras de petroquímicos, productos inorgánicos o productos intermedios se encuentran bajo una presión constante para equilibrar los costos y los márgenes al suministrar productos a sus clientes de manera oportuna y eficiente, manteniendo al mismo tiempo operaciones seguras y conformes con la normativa. Además, las empresas químicas tienen que adaptarse a la constante fluctuación de los precios de los insumos y la energía y tener la capacidad de proveer al mercado la combinación de productos más rentable.
Yokogawa ha estado supliendo las necesidades de automatización del mercado de productos químicos a granel globalmente y ha obtenido reconocimiento como líder en este mercado. Con productos, soluciones y especialización en la industria, Yokogawa entiende su mercado y las necesidades de producción y trabajará con usted para proporcionarle una solución confiable y rentable durante el ciclo de vida de su planta.
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Procesamiento y fraccionamiento
El procesamiento de gas natural está diseñado para controlar el punto de condensación del flujo de gas natural y separar los líquidos de gas natural para la venta y distribución. La eliminación de petróleo y condensados, la eliminación de agua, la separación de líquidos de gas natural y la eliminación de azufre y dióxido de carbono son procesos que se emplean para separar las impurezas en el alimentador que proviene de los yacimientos aguas arriba. En el proceso de fraccionamiento se extraen los efluentes líquidos de la planta de procesamiento de gas, que pueden estar compuestos de metano, propano, butano y pentano, para ser tratados en columnas de fraccionamiento separadas, y posteriormente pueden pasar a una planta de tratamiento de impurezas antes de ser vendidos como componentes separados.
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Producción flotante, almacenamiento y descarga (FPSO)
La unidad de Producción flotante, almacenamiento y descarga (FPSO) es una planta de producción flotante en altamar que almacena tanto el equipo de procesamiento como los hidrocarburos producidos. Las unidades de Producción flotante, almacenamiento y descarga (FPSO) son utilizadas por las compañías petroleras para lograr que sea económicamente viable producir petróleo en zonas remotas y en aguas más profundas.
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Refinación, procesamiento y almacenamiento de petróleo y gas
Gracias a sus innovadoras plataformas tecnológicas y su ejecución líder en la industria, Yokogawa tiene buena reputación en el mercado global como socio en soluciones pionero en la integración de tecnologías para todos los aspectos del ecosistema de petróleo y gas, desde el yacimiento hasta la empresa. Soluciones comprobadas que incluyen modelado de negocio predictivo, optimización de plantas y plataformas de automatización altamente confiables están apoyando a los operadores de refinación, procesamiento y almacenamiento a dirigir sus negocios con niveles de eficiencia óptimos. Yokogawa está ayudando a sus clientes a desarrollar sus estrategias de automatización, para garantizar años de utilización de activos altamente eficaz y sostenibilidad.
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Submarino
Los sistemas de producción submarinos se encuentran a diferentes profundidades en el fondo del mar. A medida que se extrae el hidrocarburo, este puede ser enviado a una plataforma de producción en altamar existente, o por medio de líneas que se pueden atar a las instalaciones en tierra para su procesamiento. Varios tipos de tecnología de equipo de perforación pueden perforar los pozos, y el aceite extraído así como el gas natural se transportan a la superficie a través de un tubo ascendente. Al igual que en las instalaciones en tierra, las plataformas de producción pueden dar servicio a muchos pozos en un área grande. Los sistemas submarinos extraen y en algunos casos procesan los hidrocarburos antes del transporte.
Yokogawa ofrece soluciones integradas de control y monitoreo que maximizan la productividad del submarino, de la marina y las operaciones en cubierta mientras se mantienen en un ambiente seguro.
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Terrestre
La industria de exploración, desarrollo y producción terrestre se enfrenta a exigencias cada vez más altas y mayores desafíos con entornos cada vez más difíciles y hostiles en las que debe funcionar.
A medida que las oportunidades de los recursos de gas natural no convencionales, en particular el gas de esquisto, están creciendo en América del Norte, la solución total de Yokogawa juega un papel importante al ayudar a los clientes a satisfacer los desafíos de reducir tanto el CAPEX como el OPEX, mientras que las tecnologías integradas mejoradas aumentan la producción. Nuestra experiencia global y local constituye la base de nuestras soluciones totales únicas para satisfacer las necesidades de esta industria. Con expertos en exploración, desarrollo y producción terrestre que trabajan en oficinas por todo el mundo, ofrecemos un soporte rápido y extenso para satisfacer las demandas de nuestros clientes.
Productos y Soluciones Relacionadas
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Aplicaciones Estándares
Medidor de Flujo Vortex estándar de Yokogawa.
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High Temperature / Cryogenic
The solution for high process temperature and cryogenic applications.
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Multivariable
- digitalYEWFLOW multivariable type vortex flow meter
- Shedder bar with embedded temperature sensor
- Monitors temperature, calculates mass flow rate
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Medidores de Flujo Vortex
Yokogawa ha sido sinónimo de medidores de flujo Vortex siendo pionero en la industria en el medidor de flujo de Vortex hace casi cuatro décadas. Durante esas décadas, Yokogawa sigue estando en la vanguardia de la tecnología Vortex; Por lo tanto, hoy en día, Yokogawa ofrece una gran variedad de medidores de flujo Vortex, incluyendo diseños por encargo a la medida.